向家壩升船機(jī)交通橋支撐桁架性能分析

韋仕龍,廖湘輝,周　恒,余　維,趙　楚（三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院,湖北　宜昌　443002）

向家壩升船機(jī)交通橋支撐桁架性能分析

韋仕龍,廖湘輝,周恒,余維,趙楚
（三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院,湖北宜昌443002）

在向家壩升船機(jī)交通橋施工澆筑中，鋼桁架作為支撐結(jié)構(gòu)得到了應(yīng)用，靜載特性和支撐穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)支撐結(jié)構(gòu)性能的兩大重要指標(biāo)。對(duì)桁架結(jié)構(gòu)靜載特性進(jìn)行了驗(yàn)證，并進(jìn)行了彈性屈曲分析，得到了結(jié)構(gòu)的屈曲因子和模態(tài)振型，針對(duì)側(cè)向穩(wěn)定性不強(qiáng)的情況進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，使結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能明顯上升。研究結(jié)果為類似的空間支撐桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參照和依據(jù)。

向家壩升船機(jī)；交通橋；支撐桁架；靜載性能；屈曲分析

0　引言

向家壩水電站的通航建筑物布置在樞紐左岸，為一級(jí)全平衡重垂直升船機(jī)，最大提升高度為114.2m。交通橋筒體澆筑的是升船機(jī)箱體澆筑施工的第一道工序，然后再進(jìn)行縱橫梁及箱梁等的澆筑施工。交通橋的施工進(jìn)度和質(zhì)量直接影響到后面的施工順序，因此如何保證施工能夠高質(zhì)高效的滿足要求是必須要考慮的[1-3]。

交通橋支撐桁架具有高度高、跨度大、施工載荷大的特性，要保證在承載使用過程中具有足夠的安全性能。承載能力和穩(wěn)定特性作為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)性能的兩個(gè)重要指標(biāo)很有必要[4]。交通橋施工過程為高空施工，由于施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備多，澆筑現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，混凝土澆筑承載大，因此要在保證施工設(shè)備和人員絕對(duì)安全的情況下具有良好的施工質(zhì)量。本文對(duì)交通橋支撐桁架的承載能力和穩(wěn)定特性進(jìn)行分析，以校核其承載能力和穩(wěn)定性能，得到桁架在橫向連系下的結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷和屈曲模態(tài)的形狀，為施工安全提供技術(shù)保證，同時(shí)也為其他類似高空復(fù)雜施工環(huán)境下的支撐桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

1　交通橋鋼桁架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

交通橋支撐桁架頂面高程為382m，跨度為17.2m，交通橋采用4榀鋼桁架作為主梁支撐，桁架為實(shí)腹式結(jié)構(gòu)，承載混凝土厚1.5m，側(cè)向之間采用水平連接的鋼管形成整體。桁架的總長(zhǎng)為17.1m，高度為1.8m。其施工支撐系統(tǒng)如下圖所示。

鋼桁架在承載使用過程中，結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)樓板及其他構(gòu)件與設(shè)備等永久荷載和澆筑中的混凝土荷載等。桁架在承載過程中上部的結(jié)構(gòu)載荷通過節(jié)點(diǎn)的形式進(jìn)行載荷傳遞，其作用在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的載荷為P=40.898kN。

2　有限元分析計(jì)算

2.1有限元建模

交通橋鋼桁架支撐系統(tǒng)是典型的大跨度桁架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)主要承受豎向載荷，而且桁架結(jié)構(gòu)不僅要承受軸力，還要承受較大的彎矩。采用Beam188空間梁?jiǎn)卧㈣旒軉卧挠邢拊Ｐ蚚4]。支撐桁架在垂直載荷作用下會(huì)出現(xiàn)向下的撓曲變形，這個(gè)變形量的大小直接關(guān)系到混凝土澆筑施工模板預(yù)拱度的設(shè)計(jì)，影響交通橋的施工精度。

通過靜力計(jì)算得出結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)變?yōu)?1.87mm，最大等效應(yīng)力為72.49Mpa。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求[4]，結(jié)構(gòu)的許用最大應(yīng)力為180Mpa，撓度比也較小，滿足靜強(qiáng)度要求。

2.2 有限元屈曲分析

對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度往往并不是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的主要原因，穩(wěn)定性問題才是更加值得重視的。線彈性屈曲分析是一種用于確定結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定時(shí)的臨界荷載和屈曲模態(tài)形狀的技術(shù)。

向家壩升船機(jī)交通橋施工過程中，鋼桁架梁作為混凝土澆筑施工模板系統(tǒng)的主要高空支撐“地基”，是一個(gè)大跨度、重載荷的細(xì)長(zhǎng)桁架梁，存在壓桿穩(wěn)定的問題。而且桁架工作空間位于高峽谷區(qū)，風(fēng)場(chǎng)環(huán)境非常復(fù)雜，容易在風(fēng)載過程中發(fā)生彎曲變形，因此很有必要針對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析，以找出影響結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的趨勢(shì)，避免危險(xiǎn)的發(fā)生。

2.3側(cè)向連接的改進(jìn)優(yōu)化

對(duì)結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)采取的方案是針對(duì)性的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的側(cè)向連接形式，以提高它的安全系數(shù)。具體措施為在鋼桁架水平方向上添加斜撐連系，在四榀桁架之間的主視面和側(cè)面分別添加一對(duì)剪刀撐。

針對(duì)優(yōu)化后的鋼桁架支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于特征值性能的屈曲分析，可以知道，優(yōu)化后桁架結(jié)構(gòu)的屈曲因子明顯上升，最小屈曲因子數(shù)值為7.33，即結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞時(shí)最小屈曲載荷為實(shí)際承載大小的7.33倍，此時(shí)結(jié)構(gòu)活載具有較大的富余空間，支撐鋼桁架使用中不易發(fā)生結(jié)構(gòu)上的失穩(wěn)破壞，桁架結(jié)構(gòu)安全可靠。

3　結(jié)語(yǔ)

承載特性和工作穩(wěn)定性是空間鋼桁架支撐結(jié)構(gòu)工作安全的保證，本文以向家壩升船機(jī)交通橋混凝土澆筑施工中的鋼桁架為研究對(duì)象，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行了靜載分析驗(yàn)證及安全穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，針對(duì)水平連系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足的情況采取了優(yōu)化措施，得到結(jié)論如下：

（1）向家壩升船機(jī)交通橋施工中要求支撐強(qiáng)度高，跨度大，必須保證支撐結(jié)構(gòu)具有足夠的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和剛度，鋼桁架具有較強(qiáng)的支撐特性，滿足重載支撐要求；

（2）穩(wěn)定性是大跨度空間支撐桁架必須要考慮的，交通橋支撐桁架結(jié)構(gòu)工作過程中的穩(wěn)定性能取決于結(jié)構(gòu)本身的物理特性，有必要對(duì)結(jié)構(gòu)的側(cè)向支撐進(jìn)行加強(qiáng)，以提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能；

（3）考慮到實(shí)際生產(chǎn)，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)件連接牢固，而且本文未考慮結(jié)構(gòu)非線性的影響，應(yīng)在后續(xù)的研究中進(jìn)行進(jìn)一步的探討。

[1]張艷紅，胡曉，高季章.向家壩升船機(jī)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析[J]，水力發(fā)電學(xué)報(bào),2012,31(02):175-182.

[2]張壯志，林新志.三峽工程和向家壩水電站升船機(jī)船廂室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比及質(zhì)量控制難點(diǎn)分析[J]，水利水電技術(shù),2013(44):58-75.

[3]向家壩升船機(jī)船廂室段土建招標(biāo)設(shè)計(jì)報(bào)告[R].報(bào)告編號(hào):S230Z10-0945.武漢:長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，2009.

[4]云迪，劉賀，張素梅.大跨中承式鋼管混凝土拱橋的自振特性及穩(wěn)定性[J]，吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2013,43(01):86-91.